就像所有以設(shè)計計算機(jī)芯片為生的人一樣，詹姆斯·邁爾斯(James Myers)也是芯片設(shè)計師。“硅是杰出的，”他說。這是因為它是一種天然的半導(dǎo)體——根據(jù)不同的條件，它既能導(dǎo)電又能充當(dāng)絕緣體——還因為它可以在小范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計。這是因為它是地球上第二常見的元素，可能現(xiàn)在就附著在你的腳底上，而且很容易通過加熱沙子產(chǎn)生。這些特性使它成為我們今天使用的幾乎所有技術(shù)的基礎(chǔ)。像英國半導(dǎo)體公司Arm的工程師邁爾斯這樣的人，大部分時間都在思考如何在更小的空間里封裝更多的硅——從20世紀(jì)70年代的每片芯片擁有數(shù)千個晶體管到今天的數(shù)十億個。有了摩爾定律，我們就像邁爾斯說的，“在硅里游泳”。
然而，在過去的幾年里，邁爾斯一直在把目光投向硅以外的其他材料，比如塑料。這意味著要從頭再來。幾年前，他的團(tuán)隊開始設(shè)計包含數(shù)十個晶體管的塑料芯片，然后是數(shù)百個，現(xiàn)在，正如《自然》雜志周三報道的那樣，已經(jīng)有數(shù)萬個了。32位微處理器包含18000個邏輯門(你從晶體管中得到的電子開關(guān))和計算機(jī)大腦的基本葉:處理器、內(nèi)存、控制器、輸入和輸出等。至于它能做什么?想想上世紀(jì)80年代早期的桌面電腦。
為什么要把科技時光倒流呢?因為現(xiàn)代硅芯片是易碎的，不靈活的電子晶圓。在壓力下，他們會嘎吱作響。雖然硅很便宜，而且越來越便宜，但在某些情況下，它可能永遠(yuǎn)都不夠便宜。假設(shè)把一個電腦芯片放在牛奶盒里，用一個檢測化學(xué)變質(zhì)跡象的傳感器代替打印的過期日期。有用嗎?有幾分!但只有在成本極低的情況下，才值得增加數(shù)十億盒牛奶。Arm正在測試的一種應(yīng)用是一種安裝在胸部的芯片，它可以監(jiān)測病人的心律失常(一種不穩(wěn)定的、輕快的心跳)，但幾個小時后就會被丟棄。因此，你想要一臺便宜的電腦，但更重要的是，一臺能彎曲的電腦。邁爾斯說:“它需要與你一起移動，而不是突然消失。”
一些材料理論上可以滿足這些需要。研究人員已經(jīng)用有機(jī)材料和設(shè)計好的襯底制造了晶體管，襯底是晶體管的晶片，襯底是金屬箔甚至是紙張。周三，Myers的團(tuán)隊描述的芯片是由金屬氧化物制成的“薄膜晶體管”組成，金屬氧化物是銦、鎵和鋅的混合物，可以比硅更薄。襯底是聚酰亞胺，一種塑料，而不是硅片。它便宜、薄、靈活，但在設(shè)計上有點麻煩。塑料的熔化溫度低于硅，這意味著一些涉及加熱的生產(chǎn)技術(shù)不再適用。而且這種薄晶體管可能存在缺陷，這意味著能量不能像芯片制造商所期望的那樣在電路中移動。與現(xiàn)代芯片相比，這種設(shè)計也消耗了更多的能量。邁爾斯指出，上世紀(jì)七八十年代，同樣的問題困擾著芯片制造商。他現(xiàn)在能同情他的老同事了。
與現(xiàn)代64位硅處理器中的數(shù)十億個門相比，18,000個門聽起來并不多，但邁爾斯自豪地談到它們。當(dāng)然，微處理器并沒有做太多事情。它只是運行他五年前編寫的一些測試代碼，以確保所有組件都正常工作。該芯片可以運行與Arm常見的基于硅的處理器之一相同類型的代碼。
該研究的合著者兼PragmatIC技術(shù)高級副總裁Catherine Ramsdale解釋說，與硅器件的一致性是關(guān)鍵，該公司與Arm一起設(shè)計和生產(chǎn)柔性芯片。雖然材料是新的，但其想法是盡可能多地借鑒硅芯片的生產(chǎn)過程。這樣，更容易批量生產(chǎn)芯片并降低成本。Ramsdale表示，這些芯片的成本可能是同類硅芯片的十分之一，因為塑料便宜且設(shè)備需求減少。她說，是的，這是一種“務(wù)實”的處事方式。
斯坦福大學(xué)(Stanford University)的電氣工程師埃里克·波普(Eric Pop)沒有參與這項研究，他說，這種芯片的復(fù)雜性及其包含的晶體管數(shù)量給他留下了深刻印象。“這推動了技術(shù)的進(jìn)步，”他說。但實用主義也有局限性。最清楚的是這個設(shè)備消耗了多少能量。該芯片消耗21毫瓦的能量，但其中只有1%用于執(zhí)行計算;其余的都被浪費了，因為芯片處于閑置狀態(tài)。他解釋說，在戶外，用一個比郵票還小的太陽能電池就可以生產(chǎn)這種芯片——換句話說，不是很多——但隨著柔性芯片變得越來越復(fù)雜，這并不是提高效率的好起點。“你要做什么，把自己連到一個巨大的電池上嗎?”流行問道。
邁爾斯說，這些小型芯片的計劃是使用類似于智能手機(jī)支付的無線充電技術(shù)。但他承認(rèn)芯片需要更節(jié)能——他相信在一定程度上是可以做到的。他說，目前的設(shè)計可以做得更小、更高效，也許足夠擴(kuò)大到10萬個閘門。但這可能是極限。原因是它的設(shè)計相當(dāng)簡單。晶體管有兩種形式，稱為“N”和“P”。它們是互補(bǔ)的。有電壓時打開，沒有電壓時關(guān)閉;另一種則相反。“你真的想擁有他們兩個，”爸爸說。Arm芯片泄漏這么多能量的一個原因是它只有N型。使用Arm和PragmatIC選擇的材料，P型晶體管的設(shè)計難度更大。
縮放的一個選擇是轉(zhuǎn)向其他柔性材料，如碳納米管，因為這兩種材料都更容易制造。波普實驗室正在研究的另一種選擇是，使用在剛性襯底上制造的二維材料，然后轉(zhuǎn)移到柔性材料上，以減少晶體管的尺寸和功率需求。在這兩種情況下，代價可能都是制造成本的增加。
Subhasish Mitra在斯坦福大學(xué)計算機(jī)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的第一個示范2013年碳納米管電腦,說,雖然手臂的設(shè)計似乎不展示任何理論上的突破,研究人員似乎產(chǎn)生了一種相對簡單的設(shè)備制造和用于實際應(yīng)用。“時間會告訴我們應(yīng)用程序開發(fā)者將如何利用這一點，”Mitra說。“我認(rèn)為這是令人興奮的部分。”
哪種柔性材料最終有意義將取決于芯片需要如何使用，波普解釋說。例如，硅并不總是注定要成為我們設(shè)備的核心。有一段時間，科學(xué)家們認(rèn)為這可能是鍺——一種比硅更優(yōu)越的半導(dǎo)體元素。但它并不叫“鍺谷”。硅更容易獲得，在某些方面也更容易設(shè)計。廉價的柔性芯片還處于早期階段。我們需要紙質(zhì)電子產(chǎn)品的可回收性嗎?碳納米管的潛在功率和規(guī)模?或許我們只是需要塑料的實用性。
也許摩爾定律不太可能適用于塑料芯片。拉姆斯代爾說:“我們并不是在尋找硅能出色發(fā)揮作用的市場。”該公司主要著眼于“硅被有效地過度設(shè)計”的用途。在硅領(lǐng)域，對更強(qiáng)大設(shè)備的需求推動了規(guī)模和功率的指數(shù)級增長。裝在牛奶盒里的電腦芯片也是這樣嗎?也許回到上世紀(jì)80年代就足夠了。